Фамилия Катернова — женская форма, а её мужской вариант — Катернов. Она образована по типичной для русских фамилий модели с суффиксом -ов, который указывает на принадлежность: Катернов буквально значит «сын Катерна» или «человек из семьи Катерна». В основе лежит прозвище или нецерковное имя Катерн, и здесь кроется главная загадка: от какого слова оно произошло?

Самая вероятная версия связывает корень с диалектным словом «катерна» — так в некоторых русских говорах называли шумную, суетливую женщину или, наоборот, бойкую, расторопную. В «Толковом словаре живого великорусского языка» Владимира Даля встречается слово «катерна» в значении «беспокойная, хлопотливая женщина». Если прозвище Катерн получил мужчина, то оно могло быть ироничным или указывать на его характер — суетливый, подвижный, либо же это была «обережная» кличка, данная в противоположность реальному поведению.

Менее распространённая, но возможная версия — связь с греческим именем Екатерина (от греч. καθαρός — «чистая»). В народной речи имя часто редуцировалось: Катерина, Катеря, Катерна. В таком случае Катернов — это фамилия, образованная от разговорной формы имени Екатерина, но обычно такие фамилии (Катеринин, Катеринов) встречаются реже, чем прозвищные. Спор разрешается в пользу прозвищного происхождения: суффикс -ов в сочетании с основой «Катерн» типичен именно для прозвищ, а не для крестильных имён, которые чаще давали фамилии с суффиксом -ин (Катеринин).

Географически фамилия Катернов (и Катернова) встречается в центральных областях России — в Тверской, Московской, Ярославской губерниях, где диалектное слово «катерна» было в ходу. Встречаются и варианты с ударением на второй слог — Катерно́в, что характерно для южнорусских говоров. Таким образом, предок носителей фамилии был, скорее всего, прозван Катерном за свой суетливый нрав или, напротив, за показное спокойствие, и эта бытовая характеристика закрепилась в родовом имени.